一、 矿井火灾计算机模拟

　　（一）国内外研究简况

　　矿井火灾是在一个受限的空间内，并在一个十分复杂的风流网络中的非制约燃烧现象。它的产生、发展及救灾与一般地面火灾不同，其特点为可燃物的分布呈固定点或连续线性分布；烟气的热力作用会产生热动力（火风压）；计算机技术在矿井火灾救灾中的应用由提供海量免费论文范文的http://www.wowa.cn整理提供,希望对您的论文写作有帮助.过量的高温烟流在狭窄井巷中的流动会产生热阻塞（节流作用）。这两种火灾过程的伴生现象会转变井巷通风网络中的风量和风压的分布，使通风系统紊乱，火灾产生的高温有毒有害气体可侵袭井下的众多工作区域，从而对矿井生命形成重大威胁和伤害。因此应事先对火灾事故策略加强研究，以便能对灾变中出现的各种可能情况有充分估计，制定相应策略，处理灾变时就能做到临场不乱和做出正确决策，从而能最大限度地减少灾变带来的损失。计算机火灾模拟是进行火灾灾情分析的有效手段，因此国内外广泛开展了矿井火灾计算机模拟技术的研究。

　　20世纪70年代，美国密歇根理工大学首先编制出了在矿井火灾时期风流状态计算机模拟及风流制约的计算机程序（MFIRE程序，1973、1982，1989， 1995）。在20世纪80年代中期，波兰国家科学院地层力学研究所也研制出了模拟火灾灾变发展过程及为救护队员选择最佳救护通道的计算机软件（POZAR程序，1985，1992）。之后，包括中国、日本、法国、俄罗斯在内的许多国家也都开展了矿井通风研究的特点，但国内外已开发出的各种火灾模拟及救灾软件，在实际使用方面仍存在较大的理由。美国的MFIRE程序在矿井火灾计算机模拟方面提出了一套较为简便实用的策略，但该程序没有图形显示功能。波兰开发的POZAR软件没有提供基础数据及图形的交互式编辑功能，软件的功能也比较单一。国内同类的一些软件在数据管理、图形显示及救灾决策功能上都存在明显的不足 。针对这些不足，中国矿业大学火灾课题组开展了矿井火灾计算机模拟理论与技术的研究。

　　（一）矿井通风网络火灾特性

　　1、火源特性

　　矿井火灾的主要可燃物有抗木、煤炭、胶带、电缆、油料等。根据矿井可燃物分布状况及火灾燃烧的规模，燃烧的火源基本可分为点火源和线火源两种类型。点火源指可燃物燃烧的面积较小燃烧地点较固定的火源。例如井下机电硐室、或可燃物（如木垛等）堆积较集中地点产生的火源。线火源是指沿巷道方向连续分布的可燃物（木支架、输送机胶带、电缆等）发生燃烧的火源。由于矿井巷道的宽度较巷道的长度比较起来较小，可视可燃物的分布为线性分布，故称线火源。线火源具有可移动，易蔓延和扩大等特性，因此也就具有更大的危害性。

　　对于点火源，因燃料较集中，火灾燃烧面积较小，故一般是富氧燃烧；而对于线火源则通常是富燃料燃烧。因受供氧量的限制，燃烧带的长度有一定的限制；在燃烧过程中，这个燃烧带在向前蔓延。

　　2.火灾过程的通风动力特性

　　根据井巷网络火灾的位置及影响区域，可将火灾分为三个区域：正常风流区（进风侧）、燃烧区和放热区（回风侧）。在燃烧区内，可燃物燃烧释放的热量将空气加热而使气体膨胀，同时在该区域内因燃烧产物的质量大于空气气流的质量，加热及过量烟气的作用使该区域内烟气的流动产生节流效应，造成节流效应的理由是热阻力。在烟流放热区域，高温烟流向围岩放热，烟流沿途受到冷却，温度降低，密度发生变化，产生局部火风压。热阻力和局部火风压是矿井火灾时期表现出的主要通风动力特性，正是这两种新增加的通风动力（或阻力）转变了矿井风网原有的压力平衡关系，从而造成了风流的紊乱。

　　3. 矿井火灾计算机模拟策略与技术

　　现有的矿井火灾模拟策略主要可分为稳态模拟和非稳态模拟两种类型。稳态模拟策略的实质是将矿井通风网络中的风流状态在给定的模拟时间内看作是稳态状态，不随时间变化。非稳态模拟是用来跟踪和描述火灾条件下风流状态参数随时间变化全过程的技术和策略。由于灾情是动态发展的，矿井火灾时期井下风流流动的状态是非稳定的，故只有采用非稳态模拟策略才能模拟出矿井火灾时期的风流流动状态。因此，非稳态模拟策略是矿井火灾计算机模拟的主要研究对象。

　　非稳态模拟策略主要有两种类型：一种采用通用的模拟策略——时间步长法，以稳态策略模拟非稳定过程；另一种则为有限差分策略，直接求解描述非稳态火灾灾变烟流及风流流动过程的偏微分方程。

　　因求解偏微分方程的困难性，时间步长法是矿井火灾模拟采用的主要策略。该策略是将模拟时间分成若干等份，模拟从初始状态开始，然后每段模拟时间等份步进一次，系统对网络的风流状态、温度分布、产生的火风压、风流逆转状况进行一次全面的扫描考察，将每一时间等份内风流的流动状态当成稳态流动来计算各种风流参数，根据考察结果进行相应的处理，使矿井火灾灾变状态在计算机内由前一个时刻的映像变换为当前时刻的映像。